Pcb规模设计技术规范4640.docx

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1、PCB设设计基本本概念1、“层层(Laayerr) ”的的概念与字处处理或其其它许多多软件中中为实现现图、文文、色彩彩等的嵌嵌套与合合成而引引入的“层层”的概概念有所所同，PProttel的的“层”不不是虚拟拟的，而而是印刷刷板材料料本身实实实在在在的各铜铜箔层。现现今，由由于电子子线路的的元件密密集安装装。防干干扰和布布线等特特殊要求求，一些些较新的的电子产产品中所所用的印印刷板不不仅有上上下两面面供走线线，在板板的中间间还设有有能被特特殊加工工的夹层层铜箔，例例如，现现在的计计算机主主板所用用的印板板材料多多在4层层以上。这这些层因因加工相相对较难难而大多多用于设设置走线线较为简简单的电电

2、源布线线层（如如软件中中的Grrounnd DDeveer和PPoweer DDeveer），并并常用大大面积填填充的办办法来布布线（如如软件中中的ExxterrnaII P11a111e和FFilll）。上上下位置置的表面面层与中中间各层层需要连连通的地地方用软软件中提提到的所所谓“过过孔（VVia）”来来沟通。有有了以上上解释，就就不难理理解“多多层焊盘盘”和“布布线层设设置”的的有关概概念了。举举个简单单的例子子，不少少人布线线完成，到到打印出出来时方方才发现现很多连连线的终终端都没没有焊盘盘，其实实这是自自己添加加器件库库时忽略略了“层层”的概概念，没没把自己己绘制封封装的焊焊盘特性性

3、定义为为”多层层（Muuliii一Laayerr)的缘缘故。要要提醒的的是，一一旦选定定了所用用印板的的层数，务务必关闭闭那些未未被使用用的层，免免得惹事事生非走走弯路。2、过孔(Via）为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的文汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果

4、是自动布线，可在“过孔数量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜单里选择“on”项来自动解决。（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。3、丝印层（Overlay）为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便

5、。正确的丝印层字符布置原则是：”不出歧义，见缝插针，美观大方”。 4、SMD的特殊性Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚（Missing Plns）”。另外，这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。5、网格状填充区（External Plane ）和填充区(Fill) 正如两者的名字那样，网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的，填充区仅是完整保留铜箔。初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别，实质上，只要你把图面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的区

6、别，所以使用时更不注意对二者的区分，要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。6、焊盘( Pad） 焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。例如，对发热且受力

7、较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”，在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则： （1）形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；（2）需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍；（3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大02- 04毫米。7、各类膜（Mask) 这些膜不仅是PcB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜（Top or

8、 Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（Top or BottomPaste Mask）两类。 顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。由此讨论，就不难确定菜单中类似“solder Mask En1argement”等项目的设置了。8、飞线，飞线有两重含义：（1）自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用“Show

9、 命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率。这一步很重要，可以说是磨刀不误砍柴功，多花些时间，值！另外，自动布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。找出未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.一、过孔孔的概念念过孔孔（viia）是是多层PPCB的的重要组组成部分分之一，钻钻孔的费费用通常常占PCCB制板板费用的的30%到400%。简简单的说

10、说来，PPCB上上的每一一个孔都都可以称称之为过过孔。从从作用上上看，过过孔可以以分成两两类： 1、用用作各层层间的电电气连接接。2、用用作器件件的固定定或定位位。如果果从工艺艺制程上上来说，这这些过孔孔一般又又分为三三类，即即盲孔(bliind viaa)、埋埋孔(bburiied viaa)和通通孔(tthrooughh viia)。盲盲孔位于于印刷线线路板的的顶层和和底层表表面，具具有一定定深度，用用于表层层线路和和下面的的内层线线路的连连接，孔孔的深度度通常不不超过一一定的比比率(孔孔径)。埋埋孔是指指位于印印刷线路路板内层层的连接接孔，它它不会延延伸到线线路板的的表面。上上述两类类孔

11、都位位于线路路板的内内层，层层压前利利用通孔孔成型工工艺完成成，在过过孔形成成过程中中可能还还会重叠叠做好几几个内层层。第三三种称为为通孔，这这种孔穿穿过整个个线路板板，可用用于实现现内部互互连或作作为元件件的安装装定位孔孔。由于于通孔在在工艺上上更易于于实现，成成本较低低，所以以绝大部部分印刷刷电路板板均使用用它，而而不用另另外两种种过孔。以以下所说说的过孔孔，没有有特殊说说明的，均均作为通通孔考虑虑。从从设计的的角度来来看，一一个过孔孔主要由由两个部部分组成成，一是是中间的的钻孔（ddrilll hholee）,二二是钻孔孔周围的的焊盘区区，见下下图。这这两部分分的尺寸寸大小决决定了过过孔

12、的大大小。很很显然，在在高速,高密度度的PCCB设计计时，设设计者总总是希望望过孔越越小越好好，这样样板上可可以留有有更多的的布线空空间，此此外，过过孔越小小，其自自身的寄寄生电容容也越小小，更适适合用于于高速电电路。但但孔尺寸寸的减小小同时带带来了成成本的增增加，而而且过孔孔的尺寸寸不可能能无限制制的减小小，它受受到钻孔孔(drrilll)和电电镀（pplattingg）等工工艺技术术的限制制：孔越越小，钻钻孔需花花费的时时间越长长，也越越容易偏偏离中心心位置；且当孔孔的深度度超过钻钻孔直径径的6倍倍时，就就无法保保证孔壁壁能均匀匀镀铜。比比如，现现在正常常的一块块6层PPCB板板的厚度度（

13、通孔孔深度）为为50MMil左左右，所所以PCCB厂家家能提供供的钻孔孔直径最最小只能能达到88Mill。二、过过孔的寄寄生电容容过孔孔本身存存在着对对地的寄寄生电容容，如果果已知过过孔在铺铺地层上上的隔离离孔直径径为D22,过孔孔焊盘的的直径为为D1,PCBB板的厚厚度为TT,板基基材介电电常数为为,则则过孔的的寄生电电容大小小近似于于：C=1.441TTD1/(D22-D11) 过过孔的寄寄生电容容会给电电路造成成的主要要影响是是延长了了信号的的上升时时间，降降低了电电路的速速度。举举例来说说，对于于一块厚厚度为550Miil的PPCB板板，如果果使用内内径为110Miil，焊焊盘直径径为

14、200Mill的过孔孔，焊盘盘与地铺铺铜区的的距离为为32MMil,则我们们可以通通过上面面的公式式近似算算出过孔孔的寄生生电容大大致是：C=11.411x4.4x00.0550x00.0220/(0.0032-0.0020)=0.5177pF，这这部分电电容引起起的上升升时间变变化量为为：T110-990=22.2CC(Z00/2)=2.2x00.5117x(55/2)=31.28pps 。从从这些数数值可以以看出，尽尽管单个个过孔的的寄生电电容引起起的上升升延变缓缓的效用用不是很很明显，但但是如果果走线中中多次使使用过孔孔进行层层间的切切换，设设计者还还是要慎慎重考虑虑的。三三、过孔孔的寄

15、生生电感同样，过过孔存在在寄生电电容的同同时也存存在着寄寄生电感感，在高高速数字字电路的的设计中中，过孔孔的寄生生电感带带来的危危害往往往大于寄寄生电容容的影响响。它的的寄生串串联电感感会削弱弱旁路电电容的贡贡献，减减弱整个个电源系系统的滤滤波效用用。我们们可以用用下面的的公式来来简单地地计算一一个过孔孔近似的的寄生电电感：LL=5.08hhlnn(4hh/d)+1 其中中L指过过孔的电电感，hh是过孔孔的长度度，d是是中心钻钻孔的直直径。从从式中可可以看出出，过孔孔的直径径对电感感的影响响较小，而而对电感感影响最最大的是是过孔的的长度。仍仍然采用用上面的的例子，可可以计算算出过孔孔的电感感为

16、：LL=5.08xx0.0050ln(4x00.0550/00.0110)+1=1.0015nnH 。如如果信号号的上升升时间是是1nss，那么么其等效效阻抗大大小为：XL=L/T100-900=3.19。这样样的阻抗抗在有高高频电流流的通过过已经不不能够被被忽略，特特别要注注意，旁旁路电容容在连接接电源层层和地层层的时候候需要通通过两个个过孔，这这样过孔孔的寄生生电感就就会成倍倍增加。四、高速PCB中的过孔设计通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：1从成

17、本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20Mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔。目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。2上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。3PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。4电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。5在信号换层的过孔附近放置

18、一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然，在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况，也有的时候，我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽，解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小目前电子子器材用用于各类类电子设设备和系系统仍然然以印制制电路板板为主要要装配方方式。实实践证明明，即使使电路原原理图设设计正确确，印制制电路板板设计不不当，也也会对电电子设备备的可靠靠性产生生不利影影响。例例如，如如果印制制板两条条细平行

19、行线靠得得很近，则则会形成成信号波波形的延延迟，在在传输线线的终端端形成反反射噪声声。因此此，在设设计印制制电路板板的时候候，应注注意采用用正确的的方法。一、地线设计 在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：1.正确选择单点接地与多点接地在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻

20、抗，应采用就近多点接地。当工作频率在110MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。2.将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。 3.尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。4.将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪

21、声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。二、电磁兼容性设计 电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。1.选择合理的导线宽度由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长

22、度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.21.0mm之间选择。 2.采用正确的布线策略采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不

23、交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点： 尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90度禁止环状走线等。时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。 总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器。 数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图1的方

24、式排列器件。3.抑抑制反射射干扰为为了抑制制出现在在印制线线条终端端的反射射干扰，除除了特殊殊需要之之外，应应尽可能能缩短印印制线的的长度和和采用慢慢速电路路。必要要时可加加终端匹匹配，即即在传输输线的末末端对地地和电源源端各加加接一个个相同阻阻值的匹匹配电阻阻。根据据经验，对对一般速速度较快快的TTTL电路路，其印印制线条条长于110cmm以上时时就应采采用终端端匹配措措施。匹匹配电阻阻的阻值值应根据据集成电电路的输输出驱动动电流及及吸收电电流的最最大值来来决定。三、去耦电容配置在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产

25、生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下： 电源输入端跨接一个10100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每410个芯片配置一个110uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz20MHz范围内阻抗小于1，而且漏电流很小（0.5uA以下）。对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线

26、（GND）间直接接入去耦电容。去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。四、印制电路板的尺寸与器件的布置印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。如图2所示。时种发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另做电路板，这一点十分重要。五、热设计从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2c

27、m，而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则：对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按纵长方式排列，如图3示；对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按横长方式排列，如图4所示。同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作

28、时对其它器件温度的影响。对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。大量实践经验表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制电路的温升，从而使器件及设备的故障率明显下降。以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则，印制电路板可靠性与具体电路有着密切的关系，在设计中不还需根据具体电路进行相应处理，才能最大程度地保证印制电路板的可靠性。